第五章信號(hào)的變換與處理

第五章信號(hào)的變換與處理傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電量時(shí)，往往輸出電阻、電感、電容等電路參數(shù)，需要將這些電路參數(shù)轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量和處理的電壓、電流、頻率等。由于傳感器基本轉(zhuǎn)換電路的類型與傳感器的工作原理有關(guān)，有時(shí)將其看作傳感器的組成部分。另外，傳感器的輸出信號(hào)一般都很弱，還可能混有各種噪聲，不能直接送入顯示裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或計(jì)算機(jī)，需要進(jìn)行必要的放大、濾波、AD/DA轉(zhuǎn)換、各種運(yùn)算等處理。一般將這一部分電路與傳感器基本轉(zhuǎn)換電路統(tǒng)稱為傳感器的測(cè)量電路或信號(hào)的調(diào)理電路。在測(cè)試系統(tǒng)中，傳感器或測(cè)試裝置的輸出大部分都是較弱的模擬信號(hào)，不能直接用于顯示、記錄或A/D轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大。對(duì)于直流或緩變信號(hào)，由于集成運(yùn)算放大器性能的改善，己經(jīng)可以組成性能良好的直流放大器。集成運(yùn)算放大器根據(jù)其性能可分為通用型、高輸入阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，可根據(jù)不同要求選用。利用運(yùn)算放大器可組成反相輸入、同相輸入和差動(dòng)輸入放大器。第一節(jié)信號(hào)的放大一、測(cè)量放大器由運(yùn)算放大器組成的上述三種放大器，一般僅適用于信號(hào)回路不受干擾或信噪比較大的場(chǎng)合。實(shí)際上，傳感器所處的工作環(huán)境住住是較復(fù)雜和惡劣的，傳感器的輸出信號(hào)中含有較大的噪聲和共模干擾。所謂共模干擾是指在傳感器的兩條傳輸線上產(chǎn)生的完全相同的干擾。在這種情況下，可采用測(cè)量放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。測(cè)量放大器又稱儀表放大器，它是線性好、共模抑制比高、輸入阻抗高和噪聲低的放大器。測(cè)量放大器的基本電路如圖5-1，由三個(gè)運(yùn)算放大器組成。它是一種兩級(jí)串聯(lián)放大器，前級(jí)由兩個(gè)同相放大器組成，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)可以直接加到輸入端，從而輸入阻抗高和抑制共模干擾能力強(qiáng)。后級(jí)是差動(dòng)放大器，將雙端輸入變?yōu)閱味溯敵觯m應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。電路中的A1和A2選擇高輸入阻抗運(yùn)算放大器，而R1=R2，R3=R4，R5=R6都是對(duì)稱選擇的。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)是共模信號(hào)時(shí)，由于同相放大器A1和A2的增益相等，輸出電壓Uo1和Uo2也是共模相等的。經(jīng)A3差動(dòng)放大，這兩個(gè)共模信號(hào)可被完全消除，總輸出信號(hào)Uo為零。由此可見，這種電路的輸出幾乎不受輸入共模干擾的影響。由于A1和A2都是同相放大器接法，因此兩個(gè)放大器的增益為當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)是差模信號(hào)時(shí)，經(jīng)A1和A2同相放大后仍是差模的，再經(jīng)A3差動(dòng)放大后輸出。差動(dòng)放大器A3的增益因此對(duì)差模輸入信號(hào)，兩級(jí)放大器的增益是為了實(shí)現(xiàn)電路的高性能，必須對(duì)電路中的運(yùn)算放大器和電阻進(jìn)行嚴(yán)格的挑選和配對(duì)?？刹捎眉蓽y(cè)量放大器。集成測(cè)量放大器在制造時(shí)采用激光調(diào)整工藝使對(duì)稱部分完全匹配。通常Rw為外接電阻，調(diào)節(jié)Rw可改變電路的增益。二、隔離放大器強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，傳感器的輸出信號(hào)中混雜著許多干擾和噪聲，而干擾和噪聲大都來(lái)自地回路、靜電耦合以及電磁耦合。為了消除干擾和噪聲，將模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉部分高頻干擾外，還必須合理地處理接地問(wèn)題。將放大器實(shí)行靜電和電磁屏蔽并浮置起來(lái)。這樣的放大器叫作隔離放大器。它的輸入和輸出電路之間沒(méi)有直接的電路聯(lián)系，只有磁路或光路的聯(lián)系。隔離放大器電路的原理框圖如圖5-2所示。輸入部分包含輸入放大器和調(diào)制器，輸出部分包含解調(diào)器和輸出放大器。隔離放大器的主要用途：1.處在高噪聲環(huán)境中的便攜式儀器和某些測(cè)控系統(tǒng)中；2.應(yīng)用于醫(yī)學(xué)測(cè)量，確保人體不受超過(guò)10μA以上的樓電流和高電壓的危害。3.用于防止因故障而使電網(wǎng)電壓對(duì)低壓電路造成損壞。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并調(diào)制成交流信號(hào)后，由變壓器耦合，再經(jīng)解調(diào)、濾波和放大后輸出。輸入放大器的直流電源是由振蕩器產(chǎn)生頻率為幾十千赫茲的高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器饋入輸入電路，再經(jīng)過(guò)整流、濾波而提供的，以實(shí)現(xiàn)隔離供電。同時(shí)，該高頻振蕩信號(hào)經(jīng)隔離變壓器為調(diào)制器提供載波信號(hào)，為解調(diào)器提供參考信號(hào)。中間部分的信號(hào)耦合器件是變壓器或光電器件，電源是隔離浮置的。輸入信號(hào)放大后由光耦合器中的發(fā)光二極管LED變換成光信號(hào)，再通過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換為電壓或電流，由輸出放大器放大輸出。圖5-2b變壓器耦合隔離放大器具有較高的線性度和隔離性能，且體積大、工藝復(fù)雜而成本高。光耦合隔離放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，帶寬可達(dá)60kHz，但其線性度、隔離性能和溫度穩(wěn)定性不如變壓器耦合隔離放大器。圖5-2b是光耦合隔離放大器電路框圖。

第二節(jié)電橋電橋是將電阻、電感、電容等電參量的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N變換電路。其輸出信號(hào)的大小，可用儀表直接測(cè)量顯示，也可輸入到放大器進(jìn)行放大。電橋電路連接簡(jiǎn)單、靈敏度和精確度較高，在測(cè)試裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋根據(jù)激勵(lì)電源的不同分為直流電橋和交流電橋。電橋電路有兩種基本的工作方式：平衡電橋（零檢測(cè)器）和不平衡電橋。在傳感器應(yīng)用中主要是不平衡電橋。一、直流電橋直流電橋的基本形式見圖5-3。R1、R2、R3、R4是電橋各橋臂電阻，U0是直流電源電壓，Uy是輸出電壓。當(dāng)電橋輸出端連接阻抗較大的儀表或放大器時(shí)，可視為開路。此時(shí)橋路分支電流為a、b和a、d之間電位差分別是輸出電壓為若要電橋輸出為零，則稱為電橋平衡，應(yīng)滿足假設(shè)電橋各橋臂電阻都發(fā)生變化，其阻值的增量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋的輸出將成為將上式展開，取初始狀態(tài)電橋的各臂阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，且一般情況下ΔR<<R，忽略ΔR的高次項(xiàng)，則上式可寫成對(duì)于應(yīng)用不平衡電橋電路的傳感器，電橋中的一個(gè)或幾個(gè)橋臂電阻對(duì)其初始值的偏差相當(dāng)于被測(cè)量的大小變化，電橋只將這個(gè)偏差變換為電壓或電流輸出。電橋四個(gè)橋臂電阻的變化對(duì)電橋輸出電壓的影響不盡相同，其中相鄰臂的符號(hào)相反，相對(duì)臂的符號(hào)相同，這就是電橋的加減特性。根據(jù)電橋的加減特征，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M橋的方法來(lái)提高測(cè)量靈敏度或消除由于溫度等影響而產(chǎn)生的不需要的電阻變化。當(dāng)電橋的四個(gè)橋臂是電阻應(yīng)變片時(shí)，式（5-8）可寫成式中K——應(yīng)變片的靈敏度在實(shí)際工作時(shí)，電橋的四個(gè)橋臂有三種基本組合方式：1）半橋單臂；2）半橋雙臂；3）全橋。1）半橋單臂如果電橋的四個(gè)橋臂中只有一個(gè)橋臂R1為應(yīng)變片，另外三個(gè)是固定電阻，則稱為半橋單臂。它在工作時(shí)只有一個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量變化，由式（5一9）可得電橋的輸出電壓為2）半橋雙臂若相鄰的兩個(gè)橋臂接成應(yīng)變片，其中一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓，另外兩個(gè)橋臂是固定電阻，例如ε1=-ε2，ε3=ε4=0；其輸出電壓相對(duì)的兩個(gè)橋臂接成應(yīng)變片，兩個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變方向相同，另外兩個(gè)橋臂是固定電阻，例如ε1=ε4，ε2=ε3=0，這種電橋稱為半橋雙臂。其輸出電壓3）全橋如果電橋的四個(gè)橋臂都接成應(yīng)變片，則稱全橋。若橋臂上四個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)棣?=-ε2=ε3=-ε4，則輸出電壓組成全橋測(cè)量，靈敏度最高，輸出電壓最大。直流電橋后續(xù)的放大電路常采用差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器，對(duì)精度要求高的可選用測(cè)量放大器。二、交流電橋?yàn)檫m應(yīng)電感、電容式傳感器及交流放大器的需要，交流電橋的應(yīng)用場(chǎng)合很多。交流電橋采用交流激勵(lì)電壓。電橋的四個(gè)橋臂分別用阻抗Z1、Z2、Z3、Z4表示，它們可以是電感、電容或電阻，其輸出電壓也是交流。用直流電路的分析方法可以得到交流電橋的平衡條件式各阻抗用指數(shù)形式表示，則（5-13）可寫成要使此式成立，必須滿足下列等式—為阻抗角，是各臂的電流和電壓之間的相位差?！獮楦髯杩沟哪?；電容性阻抗的。電感性阻抗的；式中：純電阻的；因此，交流電橋的平衡條件是：相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相等；相對(duì)兩臂阻抗角之和相等。左圖是常用的電感電橋，兩相鄰橋臂為純電阻R2和R4，另兩臂為電感L1和L3，其R1和R3可看成是電感線圈的有功電阻。則根據(jù)式（5-13）的平衡條件，可得上式要成立，應(yīng)實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分分別相等，即對(duì)阻抗角，由于Z2和Z4臂都是純電阻，則φ2=φ4=0。而Z1和Z3臂是性質(zhì)相同的電感，則φ1=φ3，滿足相角相等的平衡條件。圖5-5是電容電橋，兩相鄰橋臂為純電阻R2和R4，另兩臂為電容C1和C3。其中R1和R3可看成是電容介質(zhì)損耗的等效電阻。圖5-5則可得電容電橋的平衡條件從以上分析可知，要使電感或電容電橋達(dá)到平衡，除滿足電阻平衡外，還應(yīng)滿足電感或電容達(dá)到平衡。對(duì)于純電阻交流電橋，由于導(dǎo)線之間存在著分布電容，除了電阻平衡外，也要考慮電容平衡。判別銜鐵或電容極板的位移方向，也就是判別信號(hào)的極性（相位），要在后續(xù)電路中接相敏檢波器來(lái)解決。這種變壓器電橋具有使用元件少、精確度高和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。自感傳感器和電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路常采用變壓器電橋。如圖5-6所示。Z1、Z2為差動(dòng)自感傳感器兩個(gè)線圈的阻抗或電容傳感器兩個(gè)差動(dòng)電容的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次繞組的兩半。第三節(jié)濾波器濾波器是一種具有選擇頻率功能的裝置。它能使一部分頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而使另一部分頻率范圍內(nèi)的信號(hào)衰減。通常稱可以通過(guò)的頻率范圍為通帶，不能通過(guò)的頻率范圍為阻帶，通帶與阻帶的界限頻率為截止頻率。濾波器的基本功能為：（1）去除無(wú)用信號(hào)、噪聲、干擾信號(hào)以及信號(hào)處理過(guò)程中引入的信號(hào)如載波等。（2）分離不同頻率的有用信號(hào)。（3）對(duì)測(cè)量?jī)x器或控制系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。一、濾波器的分類及基本參數(shù)1.濾波器的分類（1）根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件類型：RC、RL或晶體諧振濾波器；（2）根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)：無(wú)源濾波器和有源濾波器；（3）根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)性質(zhì)：模擬濾波器和數(shù)字濾波器等。最常用的分類方法是按照濾波器的通頻帶將濾波器分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。左圖為四種濾波器的幅頻特性。1）低通濾波器通帶為0~f2。它使低于f2的頻率成分幾乎不衰減地通過(guò)，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。2）高通濾波器通帶為f1~∞。它使高于f1的頻率成分通過(guò)，低于f1的頻率成分衰減。3）帶通濾波器通帶在f1~f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分通過(guò)，其余成分衰減。4）帶阻濾波器阻帶在f1~f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分衰減，其余成分通過(guò)。對(duì)于理想濾波器，其通帶的幅頻特性為常數(shù)A0，而阻帶的幅頻特性為零。實(shí)際濾波器在通帶和阻帶之間有一個(gè)過(guò)渡帶，其幅頻特性為曲線，在此頻帶內(nèi)，信號(hào)受到部分地衰減。這是濾波器所不希望的，卻不可避兔的。2.實(shí)際濾波器的基本參數(shù)圖5-8是理想帶通（虛線）和實(shí)際帶通（實(shí)線）濾波器的幅頻特性。對(duì)于實(shí)際濾波器，一般用以下參數(shù)表明其性能。1）紋波幅度在一定頻率范圍內(nèi)，濾波器的幅頻特性呈波紋變化，其波動(dòng)幅度稱為紋波幅度d。紋波幅度d越小越好，與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于3dB，即2）截止頻率3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或一3dB帶寬。通常將中心頻率f0與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q值。其中對(duì)應(yīng)于－3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A0衰減－3dB。幅頻特性值等于所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。4）倍頻程選擇性指在上截止頻率f2與2f2之間，或者在下截止頻率f1與f1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量，以dB為單位。也可用10倍頻程衰減量表示。電阻電容組成的濾波器稱為無(wú)源濾波器。RC濾波器電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、有較好的低頻性能、成本低。它的缺點(diǎn)是信號(hào)的能量會(huì)被電阻所消耗，而且選擇性差，多級(jí)串聯(lián)時(shí)輸入輸出阻抗不客易匹配。二、RC濾波器1.一階RC低通濾波器一階RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如圖5-9所示。電路微分方程式為5-9一階RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性其傳遞函數(shù)為令，稱時(shí)間常數(shù)。這是個(gè)典型的一階系統(tǒng)，其特性如下：1）當(dāng)時(shí)，。2）當(dāng)時(shí)，，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。截止頻率為此時(shí)，RC低通濾波器起著積分器的作用，對(duì)高頻成分衰減率為一20dB／10倍頻程（或一6dB／倍頻程）。3）當(dāng)時(shí)，輸出Uy與輸入U(xiǎn)x的積分成正比。2.一階RC高通濾波器一階RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如圖5-10所示。電路微分方程式為圖5-10一階RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性令，稱時(shí)間常數(shù)。其傳遞函數(shù)為2）截止頻率為。3）當(dāng)時(shí)，輸出Uy與輸入U(xiǎn)x的微分成正比，起著微分器的作用。其特性如下：1）當(dāng)時(shí)，。RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。3.帶通濾波器帶通濾波器可以看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。串聯(lián)后所得的下截止頻率為原高通的截止頻率，即相應(yīng)的上截止頻率為帶通濾波器的中心頻率f0定義為分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)就可得到不同上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。為了消除高、低通兩級(jí)串聯(lián)耦合時(shí)的相互影響和進(jìn)行阻抗匹配，實(shí)際的帶通濾波器常是有源的。三、有源濾波器由電阻、電容和運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為有源濾波器。有源濾波器利用有源器件不斷補(bǔ)充由電阻R造成的損耗，提高了電路的Q值，改善了選擇性，而且有源濾波器還有信號(hào)放大功能，輸入輸出阻抗容易匹配。因此有源濾波器具有優(yōu)良的性能有源濾波器的缺點(diǎn)有：1.采用有源器件，功耗較大；2.受有源器件帶寬的限制，一般不能用于高頻場(chǎng)合。1.有源低通濾波器圖5-11是壓控電壓源二階低通濾波器的原理圖。圖中運(yùn)算放大器A接成電壓跟隨器形式，因此，在通帶內(nèi)其增益為1，即H0＝1。二階低通濾波器的傳遞函數(shù)其中若取R1=R2=R，則式中ω0—截止角頻率；Q—等效品質(zhì)因素。在實(shí)用中，一般?。≦值過(guò)大時(shí)濾波器的特性曲線會(huì)出現(xiàn)凸峰），所以，Q值標(biāo)志著低通濾波器的通帶寬度。二階低通濾波器的性能主要由Q和ω0決定。二階低通濾波器的幅頻特性見圖5-11b。設(shè)計(jì)時(shí)取，再選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚担沂筊1=R2=R，根據(jù)所要求的截止角頻率ω0，便可從式（5-32）和式（5-33）求出2.有源高通濾波器壓控電壓源二階高通濾波器的原理見圖5-12。其傳遞函數(shù)為其中當(dāng)C1=C2=C，則設(shè)計(jì)時(shí)取，選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜?，且使C1＝C2＝C，再根據(jù)所要求的截止角頻率ω0，便可從式（5-39）和式（5-40）求出R1和R2的值，即二階高通濾波器的性能同樣主要由Q和ω0決定。如果計(jì)算出的R1和R2的值太大（或太?。?，說(shuō)明C值選得偏?。ɑ蚱螅?，應(yīng)當(dāng)重新選C值，再計(jì)算出的R1和R2。3.有源帶通濾波器可以認(rèn)為帶通濾波器是由高通和低通濾波器串聯(lián)而成，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。帶通濾波器的原理可參考有關(guān)資料。例：設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為1kHz的二階有源低通濾波器。解：二階低通濾波器的原理圖如作圖所示。因二階有源低通濾波器的截止頻率為1kHz，故在設(shè)計(jì)中，取若取R1=R2=R=100Ω，則運(yùn)算放大器A接成電壓跟隨器形式，因此，在通帶內(nèi)其增益為1，即H0＝1。設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為100kHz的二階有源高通濾波器。第四節(jié)調(diào)制與解調(diào)信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。信號(hào)調(diào)理的目的：1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。調(diào)制：前一信號(hào)稱載波，是較高頻率的交變信號(hào)。后一信號(hào)稱調(diào)制信號(hào)。輸出是調(diào)制波。調(diào)制有：調(diào)相（PM）調(diào)頻（FM）；調(diào)幅（AM）；解調(diào)：是從調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。調(diào)幅、調(diào)頻使用較多，本節(jié)主要討論調(diào)幅、調(diào)頻及解調(diào)。一、調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)：1.調(diào)幅將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。調(diào)制器（乘法器）調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波由傅里葉變換的性質(zhì)可知，在時(shí)域中兩個(gè)信號(hào)的相乘則對(duì)應(yīng)在頻域中這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行卷積，即調(diào)制信號(hào)的頻域分析余弦函數(shù)頻域圖形是一對(duì)脈沖譜線。傅里葉變換若函數(shù)x(t)的傅里葉變換X(f)的圖形為左圖所示。一個(gè)函數(shù)與單位脈沖卷積的結(jié)果，是將其圖形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處。把信號(hào)x（t）和載波信號(hào)相乘，其結(jié)果相當(dāng)于把原信號(hào)的頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率f0處其幅值減半?？梢娬{(diào)幅過(guò)程就相當(dāng)于頻譜平移過(guò)程。如果把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次平移，如圖5-15所示。乘法器低通濾波器如果用低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜圖形（其幅值減少一半，這可用放大來(lái)補(bǔ)償），由于再次相乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位，因此這一過(guò)程稱為同步解調(diào)。在時(shí)域，從信號(hào)的相乘運(yùn)算中可以看到用低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號(hào)濾去，則得到x(t)/2。調(diào)幅的目的是將緩變信號(hào)變?yōu)楦哳l信號(hào)，便于放大和傳輸。解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原信號(hào)。從調(diào)幅原理圖可以看出，載波頻率f0必須高于原信號(hào)中的最高頻率fm，才能使已調(diào)制波仍保持原信號(hào)的頻譜圖形，不致重疊。實(shí)際載波頻率至少是調(diào)制信號(hào)頻率的數(shù)倍甚至是數(shù)十倍。2.調(diào)幅波的解調(diào)在實(shí)際調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)中一般不用乘法器而采用二極管整流檢波器和相敏檢波器。若把調(diào)制信號(hào)疊加一個(gè)直流分量，將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么把該信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的二極管整流、低通濾波、再減去所加偏置電壓就可以恢復(fù)原信號(hào)。若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都在零線一側(cè)，則只是對(duì)調(diào)幅波進(jìn)行簡(jiǎn)單整流就不能恢復(fù)原信號(hào)，這時(shí)可利用相敏檢波。相敏檢波的另一個(gè)作用是可以判別信號(hào)的極性。相敏檢波的原理：交變信號(hào)在其過(guò)零線時(shí)符號(hào)發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位與載波比較也相應(yīng)地發(fā)生1800的跳變。利用載波信號(hào)與之比相，便即能反映出原信號(hào)的幅值又能反映其極性。下圖是半波相敏檢波電路。圖中D1、D2為二極管，ux為被測(cè)信號(hào)電壓，u2為控制電壓。同時(shí)要求u2>>ux，兩者頻率相同均為載波頻率。當(dāng)ux=0時(shí)，由于電路對(duì)稱，電壓表上的輸出為零（相當(dāng)于電橋平衡時(shí)的輸出）。當(dāng)u2為正半周時(shí)，兩個(gè)二極管導(dǎo)通；而u2為負(fù)半周時(shí)，兩個(gè)二極管截止。而且，因?yàn)閡2>>ux，故ux的存在不影響u2對(duì)二極管的導(dǎo)通或截止作用。u2的作用只起對(duì)二極管的控制作用，相當(dāng)于一個(gè)控制開關(guān)。下圖表示了它的控制動(dòng)作原理。u2為正半周時(shí)，兩個(gè)二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)K將電路接通；u2為負(fù)半周時(shí)，兩個(gè)二極管截止，相當(dāng)于K將電路斷開。輸出電壓表上的電壓u0僅與ux大小和相位有關(guān)，而且僅在u2為正半周時(shí)有輸出。檢波圖形如下圖表示。圖5-16是一種二極管環(huán)行相敏檢波器電路。圖中的變壓器A和B為對(duì)稱變壓器，其原繞組分別接調(diào)幅波xm(t)和載波y(t)。四個(gè)二極管順向串聯(lián)，四個(gè)電阻為平衡電阻。電路設(shè)計(jì)使變壓器副繞組電壓u大于電壓um。因此，四個(gè)二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)完全由電壓u的極性決定。若原信號(hào)為正，調(diào)幅波與載波同相時(shí)，當(dāng)載波電壓為正時(shí)；VD1導(dǎo)通，電流的流向?yàn)槿鐖D所示。若原信號(hào)為正，調(diào)幅波與載波同相時(shí)，當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)；變壓器A、B的極性同時(shí)改變VD3導(dǎo)通，電流的流向?yàn)槿鐖D所示。若原信號(hào)為負(fù)，調(diào)幅波與載波反相當(dāng)載波電壓為正時(shí)，變壓器B的極性不變，變壓器A的極性改變；VD2導(dǎo)通，電流的流向?yàn)槿鐖D所示。若原信號(hào)為負(fù)，調(diào)幅波與載波反相；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器B和變壓器A的極性改變；VD4導(dǎo)通，電流的流向?yàn)槿鐖D所示。這種相敏檢波是利用二極管的單向?qū)饔脤㈦娐份敵鰳O性換向